Arduino és ESP32 beágyazott rendszer programozási innovációs műhely működtetése a Bottyánban

Home / Informatika / Arduino és ESP32 beágyazott rendszer programozási innovációs műhely működtetése a Bottyánban

Arduino és ESP32 beágyazott rendszer programozási innovációs műhely működtetése a Bottyánban  – NTP-MTTD-19-0144

Bevezetés

Tehetséges tanulóink mentorálását, a tehetséggondozó szakkört és az ehhez szükséges anyagok, eszközök beszerzését, a Nemzeti Tehetség Programban meghirdetett “A matematikai, a természettudományos, a technikai, digitális, valamint a szakmatanuláshoz szükséges kompetenciák erősítése a köznevelési intézményekben” című kiírásra benyújtott “Arduino és ESP32 beágyazott rendszer programozási innovációs műhely működtetése a Bottyánban “ című pályázatunk (NTP-MTTD-19-0144) által nyert összegből valósítottuk meg. A projekt, a hatvan órás tehetséggondozó programon kívül, egy két napos szakmai kirándulást is tartalmaz. Terveink szerint Győrben, a Széchenyi István Egyetem laborjait és az egyetem mellett található Mobilis Interaktív Kiállítási Központot látogatjuk meg. A kirándulás alkalmával a tehetségígéretek motivációjának további elmélyítését tűztük ki célul. A COVID akadályokat gördített a megvalósítás elé.

  1. Az innovációs műhely programja

A TSZC Bottyán János Szakgimnáziumban (volt Bottyán János Műszaki Szakközépiskola és a volt Szent István Gimnázium) több évtizedes, tradicionális gyökerei vannak a műszaki oktatásnak. A specializálódás eredményeként évtizedeken át sok villamos szakember hagyta el ezen intézmény falait. Sokan közülük a műszaki felsőoktatásban folytatta tanulmányait. Célunk volt, hogy a tehetséggondozás kereti közt, a kiemelkedő, többet akaró diákok számára egy meredekebb fejlődési görbét rajzoljunk, miáltal a mérnöki oktatás számára felkészültebb, mélyebb tudású diákokat adhassunk át.

Kiemelt szempontnak tekintettük, hogy akik aktívabbak, szorgalmasabbak, érdeklődőbbek, eredményeikkel csapatmunkában részt véve motiválhassák kevésbé aktív társaikat is. A pályázat egy valódi, fontos és aktuális probléma megoldását célozza meg, fejleszti a kreativitást, jövőképet formál. A program érinti azokat a területeket, amelyek a korszerű ipar, vezérléstechnika, a járműgyártás ma megkövetel, így a tanulók a munkaerőpiacon értékesíthető plusz szakmai tudást szerezhettek általa.

Diákjaink a projekt részeként annak bemutatásával előadói, illetve műszaki írói feladatokat is megoldottak. A szereplés miatt lehetőségük volt interperszonális képességeik fejlesztésére, önbizalmuk erősítésére. Mindenkinek lehetőséget biztosítottunk villamos szerelésekre, műszerek előállítására, működő vezérlés létrehozására, programozásra, olyan elemzésekre, mérésekre, amelyeket a villamos ipari tananyag csak megalapozott, de nem tartalmaz kellő mélységben.

Lehetőségük nyílt az elmélet gyakorlatba ültetésére, ezáltal plasztikusabb élményanyagot kaptak, ami véleményünk szerint megerősíti bennük a szakma iránti érdeklődést. Projektünk elemei univerzálisan használható tudást nyújtanak nemcsak elektronikai, de informatikai területeken egyaránt.

Kategória kódja:NTP-MTTD-19
Pályázó neve:TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma
Pályázó címe:2500 Esztergom, Főapát u. 1.
Program címe:Arduino és ESP32 beágyazott rendszer programozási innovációs műhely működtetése a Bottyánban
Foglalkozás megnevezéseFoglalkozás időpontja   (dátum)Foglalkozás helyszíneFoglalkozás óraszáma*Foglalkozás témájaFoglalkozáson résztvevők számaFoglalkozás típusaFoglalkozás módszertanaFoglalkozást megvalósító szakemberElvárt eredményekKapcsolódó költségvetési sor
1.Arduino hardver és szoftver alapism.2019.10.01TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Bevezetés, Hogyan kezdjem? Szoftveres eszközök (IDE), technikai eszközök, soros port beállítása, programozás nyelv alapjai10ElméletiInteraktívZsigri AttilaA tanuló képes legyen a fejlesztőeszközt használni, azon egyszerű lineáris programvezérlést megvalósítani.
2.Arduino – Digitális bemenetek2019.10.08TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Egyszerű digitálás bemenet kapcsolásának megvalósítása, digitális jelfeldolgozás programkódból10ElméletiInteraktívZsigri AttilaKépes legyen a megadott hardverkonfiguráció kialakítására, a tesztprogramot megírja, majd lefuttatja az eszközön.
3.Arduino – Számláló ciklus2019.10.15TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3A fejlesztőpanel univerzális ki/bemeneteinek beállítása, ciklikus programszervezés megvalósítása10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA tanuló képes legyen egyszerűbb ciklikus vezérlési szerkezetek megvalósítására.
4.Arduino – Soros monitor használata2019.10.22TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Soros csatlakozóport használata, hardveres csatlakozások megvalósítás, programkód készítése10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA szükséges hardveres csatlakozást képes legyen megvalósítani, a szoftvert a fejlesztőeszközben megírja, futtatja, teszteli.
5.Arduino – Hardver és szoftver alapismeretek II.2019.11.053Vezérlési elágazások megvalósítása switch-case szerkezetekkel, if függvénnyel10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaEgyszerű feltételes vezérlési szerkezetek megvalósítása, tesztelése a fejlesztőpanelen
6.Arduino – Eset választás (vezérlési szerk.)2019.11.12TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Do-while ciklusok szervezése, a kiadott csoportfeladat megoldása az eddig tanultak alapján10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA program vezérlés elágazásainak megvalósítása.
7.Arduino – Elöl és hátul tesztelős ciklusok2019.12.19TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3A fejlesztőpanel analóg bemeneteinek használata, külső szenzorok csatlakoztatás, analóg értékek szoftveres mérése, analóg jelek kibocsájtása.10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaÖsszetettebb vezérlési szerkezetek megvalósítása elöl- hátultesztelős ciklusokkal, az eddigiekben tanultak alkalmazásával.
8.Arduino – Analóg be/kimenetek2019.11.26TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Lebegőpontos változók létrehozása, feltöltése, kezelése, kiíratása soros portra, műveletek végrehajtása lebegőpontos számokkal, értékek LCD kijelzőre írása10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA tanuló képes legyen egyszerűbb analóg kapcsolások megvalósítására, szoftveres mérés megvalósítására az analóg bemeneteken, analóg jeleket képes generálni, azokkal szervo-hajtásokat, léptetőmotorokat vezérelni.
9.Arduino – Egész és lebegőpontos számok kezelése2019.12.03TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Karakteres változók létrehozása, feltöltése értékekkel, karakterek pontmátrix kijelzőre írása,10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaElsajátítja az egész és lebegőpotnos változók létrehozását, szenzoradatok egész- és lebegőpontos változókban való tárolása, kezelése.
10.Arduino – Karakteres változók kezelése I.2019.12.10TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Műveletek karakteres változókkal, soros portos parancsértelmezés karakterekkel.10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA tanuló képes legyen karakteres változók kezelésére, inicializálására, műveletek végrehajtására, Karakteres változók bekérése soros porton, program működésének befolyásolása a kapott karakterekkel
11.ESP32 -fejesztőmodul alapismeretek2019.12.17TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Szoftveres eszközök (IDE), technikai eszközök, soros port beállítása, ESP32 modul programozásának nyelv alapjai100CsoportfeladatZsigri AttilaA tanuló képes legyen a fejlesztőeszközt használni, azon egyszerű lineáris programvezérlést megvalósítani.
12.ESP32 – Digitális bemenetek2020.01.07TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Egyszerű digitálás bemenet kapcsolásának megvalósítása, digitális jelfeldolgozás programkódból10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaKépes legyen a megadott hardverkonfiguráció kialakítására, a tesztprogramot megírja, majd lefuttatja az eszközön.
13.ESP32 Egyszerű vezérlési szerkezetek használata2020.01.14TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Vezérlési elágazások megvalósítása switch-case, if-else, do, while szerkezetekkel,10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA program vezérlés elágazásainak megvalósítása.
14.ESP32 Analóg kimenetek, hangképzés,2020.01.21TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3ESP32 analóg ki/bemenetek használata, az integrált hangszóró kezelése10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA tanuló képes legyen egyszerűbb analóg kapcsolások megvalósítására, szoftveres mérés megvalósítására az analóg bemeneteken, analóg jeleket képes generálni, azokkal szervo-hajtásokat, léptetőmotorokat vezérelni.
15. ESP32 – Beépített TF kártyaolvas használata2020.01.28TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3ESP32 Beépített TF (SD) kártyaolvasó használata, beolvasás, mentés, törlés, átnevezés, SD kártya formázása.10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA fejlesztőeszközbe integrált TF-kártyaolvasó használatát megtanulja, fájlműveleteket végez.
16.ESP32 – Beépített grafikus TFT kijelző kezelése2020.02.04TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3ESP32 Beépített TFT kijelzőjének programozása, egyszerű szövegek, ábrák létrehozása10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA fejlesztőeszközbe integrált grafikus TFT kijelző programozását elsajátítja, egyszerű szövegeket ábrákat képes kiíratni.
17.Projektfeladat I. Arduino – Rádiós kommunikáció megvalósítása, bluetooth, wifi2020.02.11TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Rádiós kommunikáció megvalósítása nrf24l01 rádiós modullal.10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaKépes rádiós összeköttetést megvalósítani a két fejlesztőpanel között.
18.Projektfeladat II. Arduino – Hőmérséklet, páratartalom, légnyomásmérés, raspberry pi Sense hat használata2019.02.18TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Arduino – Hőmérséklet, páratartalom, légnyomás szenzorok használata, értékkiolvasás, tárolás, ESP32-vel10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaMeteorológiai méréseket képes végezni, a mérési adatokat változókban tárolja. A létrehozott adatbázist az ESP32 fejlesztőeszköz TF-kártya fájlrendszerére kiírja.
19.Projektfeladat III. Arduino- ESP32 Bluetooth/Wifi adatkapcsolat megvalósítása2019.02.25TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Arduino – Ultrahangos távolságmérő modul csatlakoztatása, használata, mérési adatfeldolgozás ESP32-vel10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaA két rendszert képes hardveresen összekapcsolni, a kapcsolathoz szükséges szoftverkódot megírja.
20.Projektfeladat IV. Mérési adatgyűjtő – Arduino – ESP32 SD-kártya adatbázis(data logger)2019.03.03TSZC- Bottyán János  Szakgimnáziuma M101-es terem3Adatgyűjtő központ megvalósítása ESP32 fejlesztőpanellel, SD-kártyával,10GyakorlatCsoportfeladatZsigri AttilaAz előző feladatban kiépített rendszert továbbfejlesztve képes az Arduino Uno által begyűjtött adatot Raspberry pi3 adatbázisban tárolni.
Összesen:60

Gyakorlati projektfeladat megvalósítása

A tananyag felépítésében elsődleges szempontnak tekintettük, hogy olyan témaköröket, területeket érintsünk, melyek elsajátítása során tovább sikerül fokozni a tanulók hardver- és programfejlesztés iránti érdeklődését. A projekt befejeztével reményeink szerint sikerül a tehetséges tanulókat tovább motiválni, a szakterületen tartani, illetve ösztönözni a felsőfokú tanulmányok megkezdését.

Bízunk benne, hogy sikerült fokozni a szakterületi motivációt. A projekt lezárása után a tanórákon is kamatoztatni tudják majd az itt megszerzett elméleti-, gyakorlati tudásukat. Hiszen megismerkedtek a környezeti jelenségek mérésével, a begyűjtött adatok feldolgozásával. Immáron képesek komplex adatstruktúrákat megvalósítani. A projektmunkáknak az általános iskolás tanulóknak történő bemutatásakor (pl.: Szakmák Éjszakája Esztergomban, Pályaválasztási kiállítás, Tatabányán) fokozni tudtuk az intézmény iránti érdeklődést is.

A programban a 10. 11. és a 13. évfolyamos informatika és elektronika szakirányú képzésben résztvevő diákok vettek részt. Főleg az informatika és elektronika iránt érdeklődő, eredményes, a jövőben ez irányban továbbtanulni szándékozók jelentkeztek. Mivel a létszám korlátozott, ezért orientációs beszélgetés és az érdeklődésük figyelembe vételével született meg a tanulók kiválasztása. A diákok 2-3 fős csoportokban dolgoztak, ennek során egyéni ötleteik is megvalósításra kerültek. Igény szerint természetesen tanári segítséggel.

Raspberry Pi hardver és szoftver összeállítás és tesztelés

Az Arduino és a Raspberry Pi programozás tanításának egyik fontos eleme az algoritmizálási készség, az algoritmus készítésében való jártasság minél hatékonyabb fejlesztése. A programozás tanításában és tanulásában tapasztalt sikertelenségeket nem egy programozási nyelv ismerethiánya okozza. Annál inkább a diákok fejletlen algoritmikus gondolkodása, az órák érdekességének hiánya és a tanulók érdeklődésének alacsony szintje. Fő motivációként jelenik meg, a tanulóknak való segítségnyújtás, az algoritmikus gondolkodás fejlődésének elősegítése, hogy a diákok szűkebb körben tanuljanak meg algoritmusokat készíteni, de mindezt, ne tanulásnak, hanem játéknak, kreatív tevékenységnek érzékeljék. Ebben nagy segítségünkre van az Arduino IDE fejlesztőkörnyezet, mely magyar nyelvű lokalizációt is tartalmaz. A másik nagy előny, hogy a tanulók azonnal ki tudják próbálni az általuk megírt programot az elkészített hardvereszközön, így a fejlesztés nem pusztán a kód beírásából áll. Ez a módszer véleményünk szerint nagymértékben fokozza a diákok motivációját. A program és a hardver teszteléséhez rendelkezésre állnak rendkívül innovatív szimulációs eszközök is. Ezekre egy jó példa az Autodesk cég által fejlesztett tinkercad.com weboldal, ahol virtuális hardver és szoftvertervezésre is lehetőség van. Ezt a projektünk elején a tanulók tapasztalatlanságából eredő hardverhibák kiküszöbölésére mi is sikeresen használtuk. A projekt során sikerrel alkalmaztuk továbbá a Fritzing ingyenes áramkörtervező programját is.

Virtuális szimuláció (Tinkercad), Fritzing áramkörtervező

  1. Szakmai kirándulás

A tehetséggondozási programban résztvevő tanulókkal 2020. május 20–21. között kétnapos tanulmányi kirándulást terveztünk megvalósítani. Ennek keretében Győrbe látogattunk volna el. Az első napra a Pannonhalmi Apátság, majd a Győri Mobilis Interaktív Kiállítási Központ meglátogatása szerepelt a terveinkben. Itt a tavalyi évhez hasonlóan gyakorlati foglalkozásokon vettünk volna részt, kémiai-, és fizikai kísérletek megfigyelésével.

A 2019-2020-as tanévben a tavaszi koronavírus járványhelyzet miatt a szakmai kirándulás programjának megvalósítását sajnos el kellett halasztanunk.